Probablemente uno ya debe haber oído hablar de las leyes del movimiento de Newton. Estas leyes lo ayudarán a abordar los problemas mecánicos. Por lo general, un problema de mecánica no incluye numerosas fuerzas que actúan sobre un solo elemento. Por el contrario, se trata de un conjunto de muchos cuerpos que ejercen fuerzas entre sí además de sentir la atracción gravitatoria. En esta publicación, veremos varias estrategias de resolución de problemas mecánicos.
Cuando intente resolver un problema de mecánica, tenga en cuenta que puede seleccionar cualquier parte del ensamblaje y aplicar las leyes del movimiento a esa sección. Todo lo que necesita hacer es tener en cuenta todas las fuerzas que operan en la ‘parte seleccionada’ como resultado de las piezas restantes del ensamblaje. Para mantener las cosas simples, nos referimos al componente elegido de un ensamblaje como el ‘sistema’, y la parte restante como el ‘entorno’.
Primera ley de movimiento de Newton
Esta ley también se conoce como ley de inercia. Si la fuerza externa neta sobre un cuerpo es cero, su aceleración es cero. La aceleración puede ser distinta de cero solo si hay una fuerza externa neta sobre el cuerpo.
Σ F = 0
⇒ dv/dt = 0
donde, F es la fuerza (la suma de F significa que se aplica la fuerza neta) y v es la velocidad del objeto.
Aplicaciones de la Primera Ley de Movimiento de Newton:
- Un objeto que es lanzado al espacio exterior se mueve con aceleración cero en la misma dirección hasta que ningún otro objeto externo lo golpea con alguna fuerza.
- Un libro que está sobre la mesa permanece en reposo mientras no actúe ninguna fuerza neta sobre él.
- Un corredor de maratón sigue corriendo varios metros más allá de la línea de meta debido a la inercia.
Segunda ley de movimiento de Newton
Esta ley también se conoce como ley del impulso. La tasa de cambio del momento de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada y tiene lugar en la dirección en la que actúa la fuerza.
F = dp/dt
donde, dp es el cambio en el momento respecto al cambio en el tiempo dt.
Aplicaciones de la segunda ley de movimiento de Newton:
- Es más fácil empujar un carrito vacío en un supermercado que empujar un carrito cargado. Más masa requiere más potencia para la aceleración.
- Un objeto que cae desde cierta altura experimenta un aumento en la aceleración debido a la fuerza gravitacional aplicada.
Tercera ley de movimiento de Newton
Esta ley también se conoce como ley de acción y reacción. Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero.
F A = -F B
F 12 = F 21
Fuerza de acción-reacción
Aplicaciones de la Tercera Ley del Movimiento de Newton:
- Cuando tiramos de una banda elástica, automáticamente vuelve a su posición original. La acción (fuerza aplicada) se almacena como energía y se libera como reacción con una fuerza igual y opuesta.
- Cuando se dispara un cohete, la fuerza de los gases ardientes que salen (acción) ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el cohete (reacción) y éste se mueve hacia arriba.
Inercia
En la práctica, la partícula no cambia su estado de reposo o de movimiento uniforme a lo largo de una línea recta a menos que se la fuerce a hacerlo. Esta tendencia de una partícula a no cambiar su estado de reposo o de movimiento uniforme a lo largo de una línea recta, a menos que ese estado sea cambiado por una fuerza externa, se denomina inercia.
La masa es esa cantidad que depende únicamente de la inercia de un objeto. Cuanta más inercia tiene un objeto, más masa tiene. Cuanto mayor sea la masa de la partícula, menor será la aceleración y, por tanto, mayor será la inercia.
Fricción
La propiedad que se opone al movimiento relativo del cuerpo sobre la superficie de otro cuerpo se llama rozamiento.
F = μ norte
donde μ es el coeficiente de fricción y N es la fuerza normal.
p.ej
- Mientras caminamos, la fricción entre el suelo y los zapatos evita que resbalemos.
- Sin fricción, el movimiento no puede cubrirse con correas del motor a la máquina.
Antes de pasar por la ley de movimiento de Newton relacionada con cualquier problema. Debe tener una mano fuerte sobre todos los conceptos relacionados con ella. La física es una materia que nos ayuda a comprender el mundo. Debes aprender física mientras te ayudas a ti mismo a comprender cómo suceden los diferentes fenómenos en el mundo. El secreto central más interno de la ley de movimiento de Newton es el diagrama de cuerpo libre (FBD), esto puede ayudarlo a resolver los problemas con mucha facilidad.
Ejemplo de diagrama de cuerpo libre (FBD)
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: Un pasajero que está en una llamada telefónica mientras está sentado en un tren que va a una velocidad de 100 km/h accidentalmente deja caer su teléfono por la ventana. Despreciando la fricción del aire, ¿cuál es la velocidad horizontal del teléfono móvil justo antes de tocar el suelo?
Responder:
De acuerdo con la primera ley de movimiento de Newton, un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que una fuerza externa deje de actuar. Como no hay fricción de aire que actúe sobre un objeto (teléfono móvil) para reducir la velocidad del objeto en la dirección horizontal después de que cae del tren y la aceleración debida a la gravedad solo afectaría en la dirección vertical. Entonces, la velocidad horizontal del teléfono móvil justo antes de tocar el suelo sería de aproximadamente 100 km/h.
Pregunta 2: ¿Qué fuerza neta se requiere para mantener una bola de 1,5 kg en movimiento con una velocidad constante de 40 m/s?
Responder:
De acuerdo con la primera ley del movimiento de Newton, todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme hasta que no actúa ninguna fuerza externa.
Si la fuerza externa neta sobre un cuerpo es cero, su aceleración es cero. Por lo tanto, la fuerza necesaria también es cero. Por lo tanto, se requiere una fuerza neta de 0 N para mantener la pelota en movimiento con una velocidad constante de 40 m/s.
Pregunta 3: Una nave espacial de 2000 kg se mueve en el espacio con una velocidad constante de 1200 m/s. ¿Qué es una fuerza neta que actúa sobre la nave espacial (no hay fuerza gravitatoria actuando sobre la nave espacial)?
Responder:
La primera ley de movimiento de Newton establece que el objeto permanece en movimiento hasta que ninguna fuerza externa actúe sobre un objeto. En un espacio hay vacío y no hay resistencia del aire externo. Por lo tanto, la nave espacial viajará a una velocidad constante de 1200 m/ s con aceleración cero.
Ya que, m= masa de la nave espacial = 2000 kg
a = aceleración de la nave espacial = 0
∑F = m×a
= 2000 × 0
= 0 norte
Por lo tanto, la fuerza neta que actúa sobre una nave espacial es 0 N.
Pregunta 4: ¿Qué se entiende por fricción estática y cinética?
Responder:
La resistencia que encuentra un cuerpo en estado estático mientras tiende a moverse bajo la acción de una fuerza externa se llama fricción estática. En la fricción estática, la fuerza de fricción resiste la fuerza que se aplica a un objeto, y el objeto permanece en reposo hasta que se supera la fuerza de fricción estática. Se denota como μ s .
La resistencia que encuentra un cuerpo al deslizarse sobre una superficie se conoce como fricción cinética. La fricción cinética se denota como μ k . La fricción cinética se define como una fuerza que actúa entre superficies en movimiento. Un cuerpo que se mueve sobre la superficie experimenta una fuerza en la dirección opuesta a su movimiento. La magnitud de la fuerza dependerá del coeficiente de fricción cinética entre los dos materiales.
Pregunta 5: Si un automóvil de 200 kg de masa se mueve con una aceleración de 5 m/s 2 , ¿cuál será la fuerza neta de un automóvil?
Responder:
Dado que,
Masa de un carro = M c = 200 kg
Aceleración de un automóvil = a c =5 m/s 2
Usando la fórmula F = M c × a
= 200 × 5
= 1000N
Por lo tanto, la Fuerza neta es 1000 N.
Pregunta 6: Un bateador devuelve una pelota directamente en la dirección del lanzador con una velocidad de 20 m/s y la velocidad inicial de la pelota era de 12 m/s. Si la masa de la pelota es de 0,10 kg. Determine el cambio en la cantidad de movimiento de la pelota.
Responder :
Dado que,
Velocidad inicial de la pelota = 12 m/s
Velocidad final de la pelota = 20 m/s
Masa de la pelota = 0,10 kg
Cambio en el impulso = impulso final – impulso inicial
= m×v2 – m×v1
= 0.10×20 – (-0.10×12) (la pelota nuevamente está en la dirección del bateador al lanzador)
= 3,2 Ns
Por lo tanto, el cambio en el momento es de 3,2 Ns
Pregunta 7: Durante el entrenamiento, un policía disparó una bala de su arma sobre un bloque de madera, ahora una bala de 10 g de masa se mueve a 400 m/s penetra 4 cm en un bloque de madera antes de detenerse. Suponiendo que la fuerza ejercida por el bloque de madera es uniforme, ¿cuál es la magnitud de la fuerza?
Solución:
Dado que,
Masa de la bala = M b = 10 g = 0,010 kg
Penetración de la bala antes de detenerse = s = 4 cm = 0,04 m.
Velocidad inicial de la bala = V i =400 m/s
Velocidad final de la bala = V f = 0 m/s
Aquí, el bloque de madera ejercerá una fuerza opuesta en la dirección de la velocidad, por lo tanto, esta fuerza provoca la desaceleración. Por lo tanto a sea la desaceleración en este caso (-a)
Usando la ecuación cinemática,
(V f ) 2 = (V i ) 2 + 2as ——(1)
0 = (400) 2 – 2 × un × 0,04
a = ((400) 2 – 0) / 2 × 0,04
= 160000 / 0,08
= 2000000
La fuerza sobre la bala = M b × a
= 0,01 × 2000000
= 20000N
Pregunta 8: Una caja de 100 kg de masa se coloca sobre un piso ejerciendo alguna fuerza sobre el piso. Determine que fuerza ejerce el piso sobre la caja? (Aquí g= 9,81 m/s 2 ).
Responder:
De acuerdo con el movimiento de la tercera ley de Newton, cada acción allí es una reacción igual y opuesta. Por lo tanto, la fuerza ejercida por el piso sobre la caja será el peso de la caja.
Dado que,
Masa de la caja = M = 100 kg.
peso de la caja = M × g
= 100 × 9,81
= 981 norte
La fuerza que ejerce el suelo sobre la caja = -981 N
Este signo negativo indica que la fuerza aplicada por el piso está en dirección opuesta a la fuerza aplicada por la caja.
Por tanto, la Fuerza aplicada por el suelo es igual a 981 N.
Pregunta 9: ¿Define la inercia del reposo, el movimiento y la dirección?
Responder:
Una característica de la materia que le permite permanecer en su estado actual de reposo o movimiento uniforme en línea recta hasta que es interrumpida por una fuerza externa se llama inercia.
- Inercia de reposo: La incapacidad de un cuerpo para cambiar su estado de reposo por sí mismo se denomina inercia de reposo .
- Inercia de movimiento: La incapacidad de un cuerpo para cambiar su estado de movimiento por sí mismo es inercia de movimiento.
- Inercia de dirección: La incapacidad de un cuerpo para cambiar su dirección de movimiento por su propia inercia de dirección.
Pregunta 10: Hay dos pasajeros en un ascensor que tienen masas que ejercen una fuerza de 180 N en dirección hacia abajo. Ellos experimentan una fuerza normal hacia arriba desde el piso del elevador de 207 N. ¿A qué tasa están acelerando hacia arriba? (Aquí g=10 m/s 2 )
Responder:
Dado que,
Fuerza hacia arriba = 207 N
Fuerza hacia abajo = 180 N
A medida que aceleran hacia arriba, la fuerza neta
Fuerza neta = ∑F = Fuerza hacia arriba – Fuerza hacia abajo
= 207 -180
= 27 norte
Para encontrar la masa total de los pasajeros, use la ecuación de la fuerza de gravedad,
F = m×g
metro = 180/10
m = 18 kg
Para encontrar la aceleración neta, use la segunda ley de movimiento de Newton,
F = metro × un
a = 27/18
a = 1,5 m/ s2
Por lo tanto, aceleran hacia arriba a razón de 1,5 m/s 2 .